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    压控增益放大器

    1 压控放大器的结构

    典型的压控增益放大器结构,它一般包括信号输入端和输岀端,以及增益控制电压输入端。不同的放大器在输入、输出结构上有区别,有单端输入、差分输入,单端输出和差分输出不同的组合。
    在这里插入图片描述
    以AD8336为例,在信号通道上,它分为3个部分:前置放大器PrA,具有两个输入端一个输出端;0dB-60dB的压控衰减器 ATTENUATOR,以及固定34dB的后级放大器。从中可看出,压控增益环节是靠压控衰减器实现的。
    在这里插入图片描述

    2 控制电压

    2.1 dB线性

    多数压控增益放大器满足dB线性。所谓的dB线性,是指压控增益放大器的增益,以dB为单位与外部加载的控制电压成线性关系。即:

    A ( d B ) = a 0 ( d B ) + k V G A(\mathrm{dB})=a_{0}(\mathrm{dB})+k V_{\mathrm{G}} A(dB)=a0(dB)+kVG

    dB线性的AD8337:
    在这里插入图片描述

    电压在-600mV~600mV变化时,它的增益大约变化了24dB,呈现出一个增益变化比例 Gain Scale=24dB/12V=20dB/V,即每Ⅴ电压变化引起20dB的增益变化。这是我们估算的,不一定准确,查看AD8337数据手册, Gain Scale=19.7dB/V。据图可以写出增益一电压表达式:
    A ( d B ) = 12 d B + V G A I N × 19.7 d B / V A(dB)=12dB+V_{GAIN}\times19.7dB/V A(dB)=12dB+VGAIN×19.7dB/V

    2.2 倍数线性

    所谓的倍数线性,是指压控增益放大器的增益,以倍数为单位与外部加载的控制电压V成线性关系。即:

    A ( V / V ) = a 0 ( V / m a t h r m V ) + k V G A(\mathrm{V} / \mathrm{V})=a_{0}(\mathrm{V} / mathrm{V})+k V_{G} A(V/V)=a0(V/mathrmV)+kVG

    LMH6503,是一款倍数线性的压控增益放大器。从图中可看出,当V在-1V到1V变化时,增益差不多从01倍变化到10倍。因此它也存在一个增益变化比例 Gain Scale-(10-01)/2V=4.95/V。据图可估算出下式成l立:
    A ( V / V ) = 4.5 + 4.95 × V G A(V/V)=4.5+4.95\times V_G A(V/V)=4.5+4.95×VG

    3 典型芯片

    3.1 TI的VCA810/820

    VCA810,是款输入直接耦合的(可接受直流输入)压控增益放大器,当控制电压在0V-2V之间时,它的增益从-40dB变到40dB,为dB线性类。为差分输入、单端输出结构,控制电压为单端输入。随着控制电压增加,将使得增益减小,即它属于负控制方向。这有利于实现AGC功能——输出幅度越大,会导致增益越小,迫使输岀幅度趋于稳定。VCA810具有恒定带宽,约为35MHz。结构:
    在这里插入图片描述

    VCA820带宽更宽,约为150MHz,但是其增益调节范围只有40dB。在使用方法上,VCA820增益变化范围是可以由设计者自行设定的。它的工作流程分为如下几步,第一,将差分输入电压,通过外部电阻 R G R_G RG,转变成内部电流 I R G I_{RG} IRG,第二,经过一个2倍电流放大器,进入压控的核心,以电流形式输出 I I I,最后经运放和外部电阻R的配合
    在这里插入图片描述
    输出电压:
    V O U T = I × R F = g ( V G ) × 2 I R G × R F = g ( V G ) × 2 V I N + − V I N − R G × R F = g ( V G ) × G max ⁡ × ( V I N + − V I N − ) \begin{aligned} V_{O U T}=I \times R_{F} &=g\left(V_{G}\right) \times 2 I_{R G} \times R_{F}=g\left(V_{G}\right) \times 2 \frac{V_{I N+}-V_{I N-}}{R_{G}} \times R_{F} \\ &=g\left(V_{G}\right) \times G_{\max } \times\left(V_{I N+}-V_{I N-}\right) \end{aligned} VOUT=I×RF=g(VG)×2IRG×RF=g(VG)×2RGVIN+VIN×RF=g(VG)×Gmax×(VIN+VIN)

    G m a x G_{max} Gmax称为最大增益,由两个电阻决定,且范围必须在2倍-100倍之间, g ( V G ) g(V_G) g(VG)是一个无量纲的的函数,在 V G V_G VG介于0∨-2之间时,近似满足:
    g ( V G ) = 0.01 × 1 0 V G 1 V g(V_G)=0.01\times10^{\frac{V_G}{1V}} g(VG)=0.01×101VVG
    V G = 2 V V_G=2V VG=2V时,具有最大增益1倍, V G = 0 V V_G=0V VG=0V时,具有最小增益0.01倍,电压调节增益的范围为100倍,即40dB。

    3.2 ADI的ADRF6516/6510

    暂时用不到,用到的话再更新

    4 实战

    4.1 题目

    输入为100Hz ~ 5kHz方波,幅度为0.1V~1V。不限制方法,要求输出为3倍输入信号频率的正弦波,幅度与输入方波幅度相同。测试方法为,输入、输出用双通道示波器,以输入触发,要求输出波形与输入波形稳定,且满足3倍同幅度要求。

    学习与此相关的知识点,至少有三种方案可以实现,设计模块板:

    1. 基于压控的纯粹模拟电路可变频率滤波器。
    2. 基于开关电容的可变频率滤波器。
    3. 基于DDS的同步触发解决思路。

    4.2 基本思路与实验

    方波傅里叶分解的结果是无数个倍频的正弦波之和,因此一个思路是使用压控滤波器分解出3倍频的正弦波,在进行放大。放大的倍数可以通过理论分析来确定。

    4.2.1 压控低通滤波器:

    数据手册中提供的设计电路:

    在这里插入图片描述
    用Multisim搭建仿真电路:
    在这里插入图片描述
    仿真结果:
    在这里插入图片描述
    理论与仿真的对照:取 V C = − 1.4 V V_C=-1.4V VC=1.4V,则:
    G = 1 0 − 2 ( V c + 1 ) = 6.31 G=10^{-2\left(V_{c}+1\right)}=6.31 G=102(Vc+1)=6.31

    f P = G 2 π R 2 C = 64.75 k H z f_{P}=\frac{G}{2 \pi R_{2} C}=64.75kHz fP=2πR2CG=64.75kHz

    实际测得的结果:
    在这里插入图片描述
    这就验证了该模型的正确性。

    4.2.2 压控带通滤波器:

    数据手册中提供的设计电路:
    在这里插入图片描述
    用Multisim搭建仿真电路:
    在这里插入图片描述
    仿真结果:
    在这里插入图片描述
    这里出现了一个非常神奇的情况,就是当OPA2822选用不同的电源电压的时候(比如±5V和+12V的时候)表现出不同的性质,数据手册上也没有提到这一特性。此外,电路在特征频率处的增益也不为0。由于太过奇怪,所以没有用这个电路继续做下去。将OPA2822替换为OPA820:

    在这里插入图片描述
    得到的频率特性曲线为:
    在这里插入图片描述
    这明显就正常了很多。

    理论与仿真的对照:取 V C = − 1.2 V V_C=-1.2V VC=1.2V,则:
    f 0 = 1 0 − ( V c + 1 ) 2 π R C = 16.26 K H z f_{0}=\frac{10^{-(V_{c}+1)}}{2 \pi R C} =16.26KHz f0=2πRC10(Vc+1)=16.26KHz
    仿真的结果为:
    在这里插入图片描述
    两者是一致的。

    B W = 1 2 π R C = 10.26 K H z B W=\frac{1}{2 \pi R C}=10.26KHz BW=2πRC1=10.26KHz
    不知道这里的带宽的含义是什么,但是根据仿真结果猜测是-23dB的带宽:
    在这里插入图片描述

    Q = n ⋅ 1 0 − ( V c + 1 ) = 24.01 Q=n \cdot 10^{\left.-(V_{c}+1\right)} =24.01 Q=n10(Vc+1)=24.01

    品质因数的实际含义:
    在这里插入图片描述
    因此:

    f H − f L = f 0 Q = 0.677 K H z f_H-f_L=\frac{f_0}{Q}=0.677KHz fHfL=Qf0=0.677KHz

    仿真的结果为:
    在这里插入图片描述
    两者的结果是一致的

    4.3 题目的解决

    用上面搭建的带通滤波器来实现题目

    4.3.1 思路的验证

    首先我们做一个实验,输入1KHz的方波,看看能不能得到3KHz的正弦波,如果成功的话,再在这个电路的基础上进行改进,选定参数:

    f 0 = 1 0 − ( V c + 1 ) 2 π R C = 3 K H z f_{0}=\frac{10^{-(V_{c}+1)}}{2 \pi R C} =3KHz f0=2πRC10(Vc+1)=3KHz

    B W = 1 2 π R C = 500 H z B W=\frac{1}{2 \pi R C}=500Hz BW=2πRC1=500Hz

    Q = n ⋅ 1 0 − ( V c + 1 ) = 300 Q=n \cdot 10^{\left.-(V_{c}+1\right)} =300 Q=n10(Vc+1)=300

    则: V c = − 1.78 V_c=-1.78 Vc=1.78 R C = 3.18 × 1 0 − 4 RC=3.18\times10^{-4} RC=3.18×104 n = 6 n=6 n=6。不妨取电感为 0.47 μ F 0.47\mu F 0.47μF,则 R = 677 Ω R=677\Omega R=677Ω n R = 40.1 K Ω nR=40.1K\Omega nR=40.1KΩ

    电路图如下:
    在这里插入图片描述
    仿真结果如下:

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    这和我们的理论分析是一致的

    在输入接上方波信号。Multisim的方波信号发生器有点奇怪(也有可能是我用错了),就是参数里分为正脉冲和负脉冲以及直流偏置,占空比对应的是正负脉冲占半个周期的比例。我设置的参数如下:
    在这里插入图片描述
    这样可以产生1KHz的方波。

    输出的频率:
    在这里插入图片描述

    输出的波形:
    在这里插入图片描述
    可以看到,能够比较准确地满足题目要求

    4.3.2 精确求解

    现在我们固定电路中的电阻电容,求解不同频率下压控电压源的电压

    假如输入信号的频率为 f f f,则:
    f 0 = 1 0 − ( V c + 1 ) 2 π R C = 3 f V c = − log ⁡ 10 ( 6 × 1 0 − 3 f ) − 1 f_{0}=\frac{10^{-(V_{c}+1)}}{2 \pi R C} =3f\\ V_c=-\log_{10}(6\times 10^{-3} f)-1 f0=2πRC10(Vc+1)=3fVc=log10(6×103f)1

    展开全文
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    09-17 13:56

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    图2-8所示是由反相器与温度传感器配合构成的温度一频率转换电路,适用于需要对温度进行数字显示的场合。

    电子魔法师 发表于

    09-16 11:46

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    陈翠 发表于

    09-11 13:56

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    西西 发表于

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    08-02 11:24

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空空如也

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压控振荡器芯片